DE102007062202B4

DE102007062202B4 - Beschreibung Verfahren zur Kontaktierung einer starren Leiterplatte mit einem Kontaktpartner und Anordnung aus starrer Leiterplatte und Kontaktpartner

Info

Publication number: DE102007062202B4
Application number: DE102007062202.5A
Authority: DE
Inventors: Josef Loibl; Hermann-Josef Robin; Karl Smirra
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2027-12-22
Also published as: EP2225807A1; JP5080653B2; WO2009080540A1; US8502089B2; JP2011509499A; US20110036627A1; DE102007062202A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer starren Leiterplatte (1) und einem metallischen Kontaktpartner (2), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:-Bereitstellen der starren Leiterplatte (1) mindestens umfassend eine Kupferschicht (3) und eine Prepregschicht (5)-Ausbilden einer Kontaktierlasche in der starren Leiterplatte (1),-Annähern des metallischen Kontaktpartners (2) und der Leiterplatte(1), derart, dass der metallische Kontaktpartner (2) in Anlage mit einem Kontaktpad (7) auf der Kupferschicht (3) der Leiterplatte (1) gebracht wird;- Ausbildung einer Aussparung in der Leiterplatte (1) unter Entfernen der Prepregschicht (5) in mindestens einem Teilbereich unterhalb des Kontaktpads (7) und-Bestrahlen mit Laserlicht (9), wobei eine Schweißverbindung zwischen dem Kontaktpartner (2) und dem Kontaktpad (7) ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer starren Leiterplatte (PCB)und einem metallischen Kontaktpartner, eine Anordnung der genannten Elemente mit einer zwischen diesen realisierten elektrischen Verbindungsstelle sowie eine Baugruppe zum vollständigen Einbau in einen Motor oder ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs (Kfz), die eine solche elektrische Verbindungsstelle nutzt.
In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu integrierten mechatronischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor oder das Bremssystem. Steuergeräte weisen also im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen „Vorort-Elektroniken“ sind diese Steuerungen nicht mehr in einem separaten geschützten Elektronikraum untergebracht und müssen daher entsprechenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten.
Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle Gehäuse eingesetzt. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion. Um eine verlässliche Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine elektrische Verbindung von der Gehäuseinnenseite zur Gehäuseaußenseite notwendig. Die Verteilung von elektrischen Signalen und Strömen werden in aktuellen Serienanwendungen durch Stanzgitter (Leadframes) oder durch Verwendung flexibler Leiterplatten (FPCB)realisiert.
Der übliche Aufbau flexibler Leiterplatten für mechatronische Anwendungen besteht aus einer Basislage als Verbund aus Polyimidfolie, Acrylkleberfolie und Kupfer-Folie. Die Kupferlage erhält üblicherweise durch einen Ätzprozess eine leitende Bahnstruktur. Diese Leiterbahnstrukturen müssen bondbare, schweißbare und/oder lötbare Oberflächen im Kontaktierbereich aufweisen. Zum notwendigen Schutz vor Kontamination, Beschädigungen und Leiterbahnkurzschlüssen wird eine Decklage aus Polyimidfolie auf die strukturierte Kupferlage mit Acrylkleberfolie auflaminiert. Dieser gesamte Verbund aus Basislage, Kupferlage und Decklage wird dann auf eine Bodenplatte auflaminiert. Der zwischenzeitlich verstärkte Einsatz von flexiblen Leiterplatten dieses Aufbaus in integrierten Mechatroniken ist dabei ein signifikanter Kostentreiber.
Es ist bekannt, Laserschweißverfahren zur Realisierung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer flexiblen Leiterplatte und einem metallischen Leiter einzu- setzen. Prinzipielle Vorzüge dieser Technologie bestehen darin, dass keine zusätzlichen Teile wie z. B. Nieten zum Verbindungsaufbau benötigt werden, und dass die Verbindungen in der Herstellung kostengünstig und mit einer hohen Designvariabilität gefertigt werden können.
In der EP 1 155 602 B1 ist ein elektrisches Verbindungsverfahren beschrieben, bei dem zwischen einer flexiblen Leiterplatte, welche aus zwei Isolationsschichten und wenigstens einer dazwischen verlaufenden metallischen Leiterbahn aufgebaut ist, und einem metallischen Kontaktpartner mittels Laserlicht eine Schweiß- oder Lötverbindung hergestellt wird. Hierbei wird in eine erste Isolationsschicht eine Beleuchtungsöffnung und in der zweiten Isolationsschicht gegenüberliegend der Beleuchtungsöffnung eine Verbindungsöffnung ausgebildet. Dann wird ein Verbindungsabschnitt des metallischen Kontaktpartners durch die Verbindungsöffnung hindurch in Anlage zu der metallischen Leiterbahn gebracht. Nachfolgend wird mittels eines durch die Beleuchtungsöffnung gerichteten Laserlichts eine Strahlungserwärmung der Leiterbahn und des Verbindungsabschnitts herbeigeführt und so eine Schweiß- oder Lötverbindung hergestellt.
In Fortbildung des vorgenannten Verfahrens ist in der EP 1 305 988 B1 ein Verfahren zur Kontaktierung einer flexiblen Leiterplatte mit einem Kontaktpartner beschrieben, bei dem die Laserlichtbestrahlung zur Herstellung des Schweißgefüges unmittelbar durch die zweite Isolationsschicht erfolgen kann. Damit erübrigt sich der Aufwand in der zweiten Isolationsschicht eine Aussparung vorzusehen oder an der fertig hergestellten flexiblen Leiterplatte durch lokales Entfernen der zweiten Isolationsschicht nachträglich einen doppelseitigen Zugriff an dieser Stelle zu schaffen.
Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch, dass diese aufwendig sind und vor allem ausschließlich die elektrische Verbindung kostenintensiver flexibler Leiterplatten zu metallischen Kontaktpartnern ermöglichen.
Es ist bekannt starre Leiterplatten, sogenannte PCB (Printed Circuit Boards) als Signal- und Stromverteilungskomponenten einzusetzen. Soll eine elektronische Verbindung beispielsweise zwischen zwei PCBs hergestellt werden, wird dies bisher üblicherweise mit einem separaten Stecker, einem so genannten Pressfit-Interconnector, realisiert, der auf zwei Seiten mindestens einen Pressfit-Pin oder einen Pressfit-Pin-Bereich aufweist. Nachteilig ist, dass ein solcher Stecker individuell konzipiert und angefertigt werden muss. Zudem ist der Verbau- und Verbindungsschritt des Steckers zu den Leiterplatten ein zusätzlicher Prozess, der entsprechenden Qualitätsanforderungen genügen muss und aufwendig ist.
Aus der EP 0 758 145 A2 ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer Leiterplatte und einem Kontaktpartner bekannt, bei dem die Herstellung des elektrischen Kontakts mit einem Kontaktpartner durch den Trägerkörper hindurch oder durch eine Aussparung im Trägerkorper der Leiterplatte unterhalb eines Kontaktmaterials mit Hilfe einer Laserbestrahlung hergestellt wird.
Es wird aufgrund des steigenden Bedarfs verstärkt nach weiteren Alternativen gesucht, die Kosten der Herstellung von elektrischen Verbindungen von Leiterplatten zu verschiedenen möglichen Kontaktpartnern zu reduzieren.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer starren Leiterplatte (PCB) und einem metallischen Kontaktpartner anzugeben, das einfach und kostengünstig durchzufuhren ist und gleichzeitig eine mechanisch stabile und elektrisch sichere Verbindung realisiert. Insbesondere soll die mittels des Verfahrens geschaffene Verbindungsstelle auch für eine Kontaktierung von elektrischen Bauteilen unter erschwerten Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise in einem Getriebe oder einem Motor eines Kfz herrschen, geeignet sein.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Anspruche gelost.
Erfindungsgemaß wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer starren Leiterplatte und einem metallischen Kontaktpartner mit folgenden Schritten vorgeschlagen:

- Bereitstellen der starren Leiterplatte mindestens umfassend eine Kupferschicht und wenigstens eine Prepregschicht
-Ausbilden einer Kontaktierlasche in der starren Leiterplatte (1),
- Annähern des metallischen Kontaktpartners und der Leiterplatte, derart, dass der metallische Kontaktpartner in Anlage mit einem Kontaktpad auf der Kupferschicht der Leiterplatte gebracht wird;
-Ausbildung einer Aussparung in der Leiterplatte unter Entfernen der Prepregschicht in mindestens einem Teilbereich unterhalb des Kontaktpads und
- Bestrahlen mit Laserlicht, wobei eine Schweißverbindung zwischen dem Kontaktpartner und dem Kontaktpad ausgebildet wird.

Unter einer starren Leiterplatte wird erfindungsgemäß demnach eine Leiterplatte (PCB) mit mindestens einem einlagigen Aufbau aus einer Kupferschicht und einer damit verbundenen Prepregschicht verstanden. Diese Prepregschicht wird auch als Prepregkern bezeichnet. Prepreg (Preimpragnated fibre) ist ein Verbund aus Epoxydharz und Glasfasermatten, auch bekannt unter der Materialkennung FR4. Als Prepregkern können je nach Anwendung auch temperaturfestere Materialkombinationen, beispielsweise ein so genanntes FR5-Material, eingesetzt werden. Auf die Kupferschichten kann erfindungsgemäß eine weitere Schicht zur elektrischen Isolierung, beispielsweise ein Lötstopplack aufgetragen werden.
Das Kontaktpad auf der Kupferschicht bleibt als Kontaktstelle von einer möglichen Isolierschicht, beispielsweise einem Lötstopplack, freigespart oder wird vor dem Aufsetzen des Kontaktpartners von der Isolierschicht befreit.
Als Kontaktpartner können erfindungsgemäß insbesondere Drähte, Pins und Stifte, Litze, Stanzgitter oder weitere flexible oder starre Leiterplatten eingesetzt werden. Das Kontaktpad ist die Kontaktstelle auf der Leiterbahnschicht auf der ein Kontaktpartner zur Anlage gebracht und nachfolgend mit dieser durch das Laserschweißen mechanisch und elektrisch verbunden wird.
Beim Auftreffen des Laserlichts auf die als Kupferschicht realisierte Leiterbahn tritt eine Energieabsorption auf. Dabei führt die bei der Schweißung eingebrachte Energie zu einem praktisch schlagartigen Aufschmelzen der Leiterbahn im Bereich des Kontaktpads und zu einem Eindringen des Laserstrahls in den Anlagebereich des Kontaktpartners und zur Ausbildung einer Schweißverbindung.
Um eine beständige Schweißverbindung herzustellen, müssen die starre Leiterplatte und der jeweilige Kontaktpartner während des Schweißvorgangs ohne Spalt aneinander anliegen. Bei Verfahren mit flexiblen Leiterplatten muss dies mit einer federnden Zusatzvorrichtung gewährleistet werden, die die FCPB wahrend des Schweißens fest an den Kontaktpartner druckt. Bei dem Einsatz einer starren Leiterplatte ist dies nicht zwingend notwendig. Im erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der starren Leiterplatte zu diesem Zweck zusatzlich eine Kontaktierlasche ausgebildet werden. In diesem Fall ist die starre Leiterplatte in den Schweißbereichen, so ausgebildet, das eine Lasche als vorgespannte Feder in die Leiterplatte eingebracht wird. Diese Lasche kann in einer Ausführung dadurch erzeugt werden, dass um das Kontaktpad herum ein rechteckiger Bereich an drei Seiten in die Leiterplatte beispielsweise eingeschnitten oder eingefrast wird. Durch diese konstruktiv einfache Maßnahme bringt die starre Leiterplatte bereits eine federnde Niederhaltefunktion mit und eine zusätzliche Niederhaltevorrichtung ist nicht mehr zwingend erforderlich. Auch andere geometrische Ausgestaltungen der Kontaktierlasche sind erfindungsgemäß umfasst.
Vorteilhafterweise wird erfindungsgemaß damit ein Verfahren bereitgestellt, dass einfach durchzufuhren ist und insbesondere eine kostengünstigere Alternative zu den bisher bekannten Anwendungen mit flexiblen Leiterplatten darstellt. Daruber hinaus können durch den Einsatz des Laserschweißens mit hoher Prozess-Sicherheit reproduzierbar qualitativ hochwertige elektrische Verbindungen hergestellt werden, die auch hohe mechanische Anforderungen erfüllen. Darüber hinaus können alle Vorteile der Lasertechnologie genutzt werden. Beispielsweise sind zusätzliche Teile, wie Nieten, oder Zusatzstoffe, wie Lot, für eine beständige Laserschweißverbindung nicht erforderlich. Außerdem erlaubt die Art der Verbindung hohe Freiheitsgrade bezuglich des mechanischen Designs und garantiert minimale Übergangswiderstande.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die starre Leiterplatte mindestens zwei Kupferschichten und wenigstens eine dazwischen verlaufenden Prepregschicht. Nach dieser erfindungsgemaß bevorzugten Variante stehen mindestens zwei Leiterbahnschichten, nämlich die Kupferschichten, zur Verfügung. Vorteilhafterweise kann hierdurch gegenüber einem Aufbau mit nur einer Kupferschicht insbesondere eine bessere Entflechtung im Layout, eine höhere Anzahl an Leiterbahnen und/oder ein Einsatz breiterer Leiterbahnen zur Erhöhung der Stromtragfahigkeit bereitgestellt werden.
Für die Qualität der beim Schweißvorgang gebildeten Verbindung spielt die Tiefe des Eindringens des Laserstrahls in den Kontaktpartner eine wichtige Rolle. Vermag der Laserstrahl nicht in den Kontaktpartner einzudringen, d. h. wenn lediglich die Leiterbahn (Kupferschicht) aufgeschmolzen wird, wird kein befriedigendes Schweißergebnis erreicht. Dringt der Laserstrahl andererseits in den Kontaktpartner ein, tritt ein Effekt auf, der als Tiefschweißeffekt bezeichnet wird. Dieser besteht darin, dass das Kontaktpartnermaterial schlagartig aufgeschmolzen wird und man ein mehr oder weniger eruptives Verhalten der Metallschmelze beobachtet. Das eruptive Verhalten führt zu einem Wegspritzen von aufgeschmolzenem Kontaktpartnermaterial, wobei sich durch den Materialverlust im zentralen Bereich des Kontaktpartners eine Mulde ausbildet. Als Folge der Muldenausbildung wird ein ringförmiger Schweißbereich erhalten, der unerwünscht ist, weil je nach Größe der Ringöffnung ein Teil der zur Verfügung stehenden Schweißfläche ungenutzt bleibt.
Zur Erzielung eines die Güte der Schweißverbindung optimierenden Tiefschweißeffektes wird der Laser vorzugsweise so betrieben, dass die Aufschmelztiefe der Kontaktpartneroberflache zwischen 0,5 und 1 mm beträgt.
Die Ausprägung des Tiefschweißeffekts wird durch eine Vielzahl von Parametern, insbesondere Schweißenergie, Pulsleistung, Schweißzeit und Schweißpunktdurchmesser beeinflusst. Vorteilhafte Wertebereiche bei Verwendung eines Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1,06 µm und einer mittleren Leistung von 30-500 W, die zu Schweißverbindungen mit guter mechanischer und elektrischer Festigkeit führen sind: eine Schweißenergie von 7 bis 11 J, eine Pulsleistung von 1 bis 3 KW, eine Schweißzeit von 3 bis 10 ms und ein Durchmesser des Schweißpunkts von 0,3 bis 0,6 mm. Hierdurch können Schweißverbindungen mit guter mechanischer Festigkeit und geringem elektrischen Übergangswiderstand hergestellt werden.
Erfindungsgemäß können auch mehrere Schweißpunkte gesetzt werden, um die Schweißverbindung abzusichern und zu festigen. Zusätzlich kann vorteilhafterweise gleichzeitig die Stromtragfähigkeit noch verbessert werden.
Eine weitere vorteilhafte Verfahrensmaßnahme kennzeichnet sich dadurch, dass zum Aufbau der Schweißverbindung mehrere lageversetzte Laserlichtpulse eingesetzt werden. Durch den Lageversatz wird eine effektive Vergrößerung des Schweißbereichs erreicht, was zu einer Erhöhung der Festigkeit der Verbindung führt.
Werden Drahte oder Stanzgitter als Kontaktpartner eingesetzt können diese in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens im Schweißbereich geprägt sein. Bei der Prägung entsteht ein so genanntes Kontaktauge am Kontaktpartner, mit dem eine sichere Anlage an das Kontaktpad auf der Leiterplatte geschaffen werden kann. Bei Einsatz von Litzen können diese an den Enden kompaktiert werden, um die Schweißbarkeit zu verbessern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die starre Leiterplatte dünn ausgestaltet sein. Dies bedeutet, dass die Kupferschichten der starren Leiterplatte eine Dicke im Bereich von 35 µm bis 70 µm und die Prepregschicht eine Dicke im Bereich von 150 µm bis 350 µm aufweisen. Durch die dünne Ausführung kann eine plastische Verformbarkeit der starren Leiterplatte erreicht werden. Die plastische Verformbarkeit ist besonders gut, wenn die Leiterbahnen in der Kupferschicht durch dünne Trennlinien erzeugt werden, also mit anderen Worten eine möglichst große Kupferoberfläche auf der Leiterplatte verbleibt. Durch Biegen der Leiterplatte können damit vorteilhafterweise dreidimensionale Bereiche und Strukturen ausgebildet und die Designvariabilität gesteigert werden.
Die Prepregschicht kann zur Erzeugung der Aussparung in der starren Leiterplatte mechanisch, beispielsweise durch Bohren, Fräsen oder Stanzen entfernt werden. Eine gleichermaßen bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Entfernen der Prepregschicht durch eine Laserlichtbestrahlung erfolgt. Vorteilhafterweise kann Ausbildung der Aussparung mit der Entfernung der Prepregschicht und die anschließende Verschweißung durch Laserlichtbestrahlung auch in einem Verfahrensschritt erfolgen.
Die Qualität der Schweißung lässt sich ferner durch die Einflussgrößen Auftreffwinkel des Laserstrahls, Fokuslage, Brennfleckdurchmesser (Energiedichte) und Oxidationsgrad der Cu-Leiterbahn beeinflussen. Weitere Einflussgrößen sind der Durchmesser des Kontaktpartners sowie die Verwendung eines kontaktseitig versilberten Kontaktpartners und die Dicke dieser Silberschicht. Die genannten Parameter und Einflussgrößen können sich zumindest teilweise gegenseitig beeinflussen, d. h. dass sie in Bezug auf die Minimierung des Tiefschweißeffektes abhängig voneinander optimiert werden müssen.
Bei idealer Wahl der Parameter werden Schweißstellen mit einer vollflächigen, im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Verbindungszone geschaffen.
Eine weitere Verbesserung der Festigkeit des erhaltenen Schweißgefuges kann in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausfuhrung durch den Einsatz von Laserlicht Doppelpulsen erreicht werden, die auf unterschiedliche Stellen, innerhalb der Kontur des Kontaktpads gerichtet werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung aus einer starren Leiterplatte, einem metallischen Kontaktpartner und einer elektrischen Verbindungsstelle zwischen der starren Leiterplatte und dem metallischen Kontaktpartner, bei der die starre Leiterplatte mindestens aus einer Kupferschicht und einer Prepregschicht aufgebaut ist. In der starren Leiterplatte ist erfindungsgemäß eine Kontaktierlasche ausgebildet. Auf der Kupferschicht ist dabei mindestens ein Kontaktpad ausgebildet, auf dem der metallische Kontaktpartner zur Anlage gebracht wird. Zwischen den genannten Elementen liegt erfindungsgemaß weiterhin ein durch die Laserlichtbestrahlung herbeigeführter Verschweißungsbereich vor.
In einer weiter bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung aus einer starren Leiterplatte, einem metallischen Kontaktpartner und einer elektrischen Verbindungsstelle zwischen der starren Leiterplatte und dem metallischen Kontaktpartner, umfasst die starre Leiterplatte mindestens eine erste und eine zweite Kupferschicht und wenigstens eine dazwischen verlaufende Prepregschicht. Durch die Bereitstellung mindestens einer zweiten Leiterbahnschicht kann insbesondere eine verbesserte Entflechtung im Layout erreicht werden.
Eine wichtige technische Anwendung des erfindungsgemaßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung mit elektrischer Verbindungsstelle besteht in der Kontaktierung von elektrischen Verdrahtungselementen oder in der Direktkontaktierung von Elektrobauteilen, wie zum Beispiel Steckern, Sensoren, Ventilen und/oder Aktuatoren, die gemeinsam mit einem Steuergerat in einem Motor oder Getriebe eines Kfz untergebracht sind. Hierfür schafft das erfindungsgemaße Verfahren und die erfindungsgemaße Anordnung eine geeignete, besonders gegenüber dem Einsatz von flexiblen Leiterplatten, kostengünstige Möglichkeit einer elektrischen Kontaktierung zwischen den genannten Elementen, wobei die geschaffene Schweißverbindung besonders widerstandsfähig ist, so dass sie den in einem Getriebe oder Motor herrschenden Umgebungsbedingungen (Temperaturbereich von etwa -40 °C bis 150 °C, Vibrationen bis etwa 40 g) standzuhalten vermag. Weiterhin erlaubt die erfindungsgemäße Art der Verbindung hohe Freiheitsgrade bezuglich des mechanischen Designs und garantiert minimale Übergangswiderstande.
Im Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Baugruppe zum vollständigen Einbau in einen Motor oder ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs, in die die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße vorteilhafte Anordnung integriert ist. Diese Baugruppe kann die folgenden Elemente aufweisen:

- ein Steuergerät, das ein öldichtes Gehause aufweist, in dem eine elektronische Schaltung untergebracht ist,
- eine starre Leiterplatte, die mit der elektronischen Schaltung in elektrischer Verbindung steht und durch einen Dichtspalt des Gehäuses nach außen geführt ist,
- wobei in der starren Leiterplatte eine Kontaktierlasche ausgebildet ist und
- außerhalb des Steuergerätes vorgesehene elektrischen Anschlüsse, die gemaß der erfindungsgemaßen Anordnung als Kontaktpartner mit der starren Leiterplatte verbunden sind.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
In diesen zeigt:

1 eine schematische Schnittdarstellung einer starren Leiterplatte und einem metallischen Kontaktpartner zu einem Zeitpunkt beim Aufbau der erfindungsgemäßen Schweißverbindung;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer starren Leiterplatte zum Zeitpunkt des Aufbaus der erfindungsgemäßen Schweißverbindung zu einer zweiten starren Leiterplatte;
3 eine perspektivische Draufsicht auf eine starre Leiterplatte verbunden mit metallischen Kontaktpartnern und mit ausgebildeter Kontaktierlasche.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer starren Leiterplatte 1 und einem Pin 2a als metallischen Kontaktpartner 2 zu einem Zeitpunkt beim Aufbau der erfindungsgemaßen Schweißverbindung. Die starre Leiterplatte 1 umfasst eine erste Kupferschicht 3 und eine zweite Kupferschicht 4, zwischen denen eine Prepregschicht 5 eingebettet ist. Die erste Kupferschicht 3 wird im Folgenden auch als obere Kupferschicht 3 bezeichnet. Auf der oberen Kupferschicht 3 und der unteren zweiten Kupferschicht 4 ist jeweils eine Lötstopplackschicht 6 zur elektrischen Isolierung aufgetragen. Im Bereich des Kontaktpads 7 ist die obere Kupferschicht 3 von der Lötstopplackschicht 6 freigespart. Der Pin 2a ist auf dem Kontaktpad 7 mit einer Stirnseite zur Anlage gebracht. Vor Durchführung des Schweißschrittes werden die starre Leiterplatte 1 und der Kontaktpartner 2 also in der Weise aneinander angenähert, dass eine Fläche des Kontaktpartners 2 ganzflächig auf der Kupferschicht 3 aufliegt. Unterhalb des Kontaktpads 2a ist eine Aussparung 8 in der Leiterplatte 1 ausgebildet. Durch diese Aussparung 8 wird von unten, d.h. von der dem Pin 2a gegenüberliegenden Seite der Kupferschicht 3, mittels eines Laserstrahls 9 die Schweißverbindung hergestellt. Vorzugsweise wird ein zur Kupferschicht-Leiterbahnebene 3 senkrechter Lichteinfall gewählt. Der Laserstrahl kann im Bereich der Mittellängsachse x auf die anliegende Stirnseite des Pins 2a auftreffen. Alternativ zu der gezeigten Direktkontaktierung von der Leiterplatte 1 mit einem Pin 2a kann die Leiterplatte 1 in analoger Weise auch mit den Enden von im Getriebe oder im Motor verlaufenden elektrischen Verdrahtungselementen, beispielsweise Stanzgittern oder anderen Kontaktpartnern, verbunden sein.
2 zeigt eine Schnittdarstellung einer starren Leiterplatte 1 zum Zeitpunkt des Aufbaus der erfindungsgemäßen Laserschweißverbindung zu einer zweiten starren Leiterplatte 10. Die Leiterplatten 1, 10 können gleich oder unterschiedlich aufgebaut sein. Mechanisch kann die Verbindung zu der zweiten Leiterplatte 10 zum Beispiel durch Laminierung oder Klebung hergestellt werden. Die erste und die zweite Leiterplatte 1, 10 werden mit ihren Kontaktpads 7 übereinander gelegt und mittels eines Laserstrahls 9 verschweißt. In eine Aussparung 8 der Leiterplatte 10 kann zusätzlich ein Kupferinlay 11 im Kontaktierbereich 7 eingesetzt sein. Dies kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn für eine sichere Schweißverbindung die Lagenstärke der Kupferschichten 3, 4 im Schweißbereich nicht ausreichen sollte. Die erfindungsgemäße Verbindung von zwei oder mehreren Leiterplatten 1, 10 erlaubt vorteilhafterweise den Aufbau komplexer Strukturen.
Die 3 zeigt in perspektivischer Draufsicht die Verbindung zwischen einer starren Leiterplatte 1 zur Potenzial- und Signalverteilung mit einem Pin 2a und einem Stanzgitter 2b als Kontaktpartner 2. Auf der Leiterplatte 1 sind Kontaktpads 7 vorgesehen, die kreisrund ausgestaltet sein können. Um den Pin 2a und das dazu zugehörige Kontaktpad 7 kann eine rechteckig ausgestaltete Kontaktierlasche 12 in der Leiterplatte 1 ausgebildet sein. Diese Kontaktierlasche 12 kann als vorgespannte Feder fungieren und hierdurch vorteilhafterweise eine Niederhaltefunktion übernehmen. Auf diese Weise wird die Leiterplatte 1 mit dem Kontaktpad 7 fest an den Kontaktpartner 2, vorliegend also an die anliegende Stirnseite des Pins 2a, gedrückt. Die Ausführung der Kontaktpads 7 und der Kontaktierlasche 12 kann erfindungsgemäß auch in anderen geometrischen Ausgestaltungen erfolgen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass erfindungsgemäß durch die Verwendung einer kostengünstigen starren Leiterplatte und dem Einsatz des kostengünstigen Direktmontageprozesses durch Laserschweißen gerade bei einer Serienfertigung deutliche Kosteneinsparungen ermöglicht werden. Insbesondere lassen sich alle Verbindungen zu den verschiedenen möglichen Kontaktpartnern vorteilhafterweise mit dem gleichen Verfahren realisieren.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer starren Leiterplatte (1) und einem metallischen Kontaktpartner (2), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: -Bereitstellen der starren Leiterplatte (1) mindestens umfassend eine Kupferschicht (3) und eine Prepregschicht (5) -Ausbilden einer Kontaktierlasche in der starren Leiterplatte (1), -Annähern des metallischen Kontaktpartners (2) und der Leiterplatte(1), derart, dass der metallische Kontaktpartner (2) in Anlage mit einem Kontaktpad (7) auf der Kupferschicht (3) der Leiterplatte (1) gebracht wird; - Ausbildung einer Aussparung in der Leiterplatte (1) unter Entfernen der Prepregschicht (5) in mindestens einem Teilbereich unterhalb des Kontaktpads (7) und -Bestrahlen mit Laserlicht (9), wobei eine Schweißverbindung zwischen dem Kontaktpartner (2) und dem Kontaktpad (7) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Leiterplatte (1) mindestens zwei Kupferschichten (3, 4) und wenigstens eine dazwischen verlaufenden Prepregschicht (5) umfasst.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschichten (3, 4) der Leiterplatte (1) eine Dicke von 35 µm bis 70 µm und die Prepregschicht (5) eine Dicke von 150 µm bis 350 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Prepregschicht (5) durch mechanische Bearbeitung oder durch Laserlichtbestrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nd:YAD-Laser als Laserlichtquelle eingesetzt und mit einer mittleren Leistung im Bereich von 30 bis 500 W betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Strahlengang des Lasers liegenden Optik mindestens ein Schweißpunkt mit einem Durchmesser zwischen 0,3 und 0,6 mm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißenergie von 7 bis 11 J wahrend einer Schweißdauer von 3 bis 10 ms aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster Nd:YAG-Laser mit einer Pulsleistung von 1 bis 3 kW eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau der Schweißverbindung mehrere Laserlichtpulse, insbesondere Doppelpulse eingesetzt werden.
Anordnung aus einer starren Leiterplatte (1), einem metallischen Kontaktpartner (2) und einer elektrischen Verbindungsstelle zwischen der starren Leiterplatte (1) und dem metallischen Kontaktpartner (2), bei der - die starre Leiterplatte(1) mindestens aus einer Kupferschicht (3) und wenigstens einer Prepregschicht (5) aufgebaut ist, - in der starren Leiterplatte (1) eine Kontaktierlasche (12) ausgebildet ist, - auf der Kupferschicht (3) mindestens ein Kontaktpad (7) ausgebildet ist, - der metallische Kontaktpartner (2) auf dem Kontaktpad (7) zur Anlage gebracht ist und ein durch die Laserlichtbestrahlung (9) herbeigeführter Verschweißungsbereich vorliegt.
Anordnung aus einer starren Leiterplatte (1), einem metallischen Kontaktpartner (2) und einer elektrischen Verbindungsstelle zwischen der starren Leiterplatte (1) und dem metallischen Kontaktpartner (2) nach Anspruch 10, bei der - die starre Leiterplatte(1) mindestens aus einer ersten und einer zweiten Kupferschicht (3, 4) und wenigstens einer dazwischen verlaufenden Prepregschicht (5) aufgebaut ist.
Baugruppe zum vollstandigen Einbau in einen Motor oder ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs, - mit einem Steuergerät, das ein öldichtes Gehause aufweist, in dem eine elektronische Schaltung untergebracht ist, - mit einer starren Leiterplatte(1), die mit der elektronischen Schaltung in elektrischer Verbindung steht und durch einen Dichtspalt des Gehäuses nach außen gefuhrt ist, - wobei in der starren Leiterplatte (1) eine Kontaktierlasche (12) ausgebildet ist, und - mit außerhalb des Steuergerätes vorgesehenen elektrischen Anschlüssen, die gemaß einer Anordnung nach Anspruch 10 oder 11 als Kontaktpartner (2) mit der starren Leiterplatte (1) verbunden sind.
Baugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse durch ein metallisches Stanzgitter, einen metallischen Draht, Pin, eine flexible oder starre Leiterplatte realisiert sind.